“富砂型”河流相沉積儲層砂體精細刻畫

馬佳國,周 卿,王 波,賈海良

(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津300459)

1 問題分析

渤海海域近十來年的油氣勘探發現,新近系明化鎮組油氣儲量巨大,因此需要對明化鎮儲層深入研究以支持勘探開發[1-2]。前人研究表明,渤海海域明化鎮組沉積分為較明顯的兩部分,即低彎度單曲流河沉積表現為“泥包砂”特征,砂巖百分含量為10%～20%,砂巖厚度為3～10m,地震剖面上特征清晰,常規屬性能刻畫儲層展布特征。高彎度多曲流河片狀砂沉積表現為“砂包泥”特征,砂巖百分含量35%～60%,砂巖厚度為15～60m。這種“富砂型”地層地震反射弱,常用的90°相移技術、儲層反演技術較難刻畫儲層內部結構[3]。研究區位于渤海西部海域沙壘田凸起東段,相繼發現大中型油氣田5個,儲量集中在明化鎮組,主要油藏類型為構造-巖性油氣藏。鉆井證實明上段主要發育高彎度復合曲流河沉積和極淺水三角洲沉積,明下段主要發育低彎度單曲流河沉積。前人對“泥包砂”儲層總結了成熟的研究方法,但對“富砂型”儲層的精細刻畫尚欠缺成熟的方法[4]。

渤海海域A油田明上段B砂體共有1口探井,10口評價井,鉆井揭示砂體構造幅度較低,為25～40m。過路井鉆遇砂體厚度為10～50m,屬于“富砂型”儲層。在該砂體評價過程中,對沉積微相的認識存在分歧,另外多口評價井間距不大,油水界面最大高差達到20m,這些問題制約了該砂體的評價與開發。

本次研究的重點是對砂體內部小尺度河道及巖性邊界精細刻畫,以支持砂體沉積微相的準確認識及砂體期次解剖。對地震資料進行濾波、負90°相移后,精細追蹤砂體,利用小尺度邊緣檢測技術刻畫砂體內部河道、點壩邊緣。通過地震融合屬性、過井地震剖面與實鉆井數據對比,證實了刻畫的小尺度信息符合地下地質情況。在此基礎上,利用融合屬性及地震剖面相指導沉積微相再認識和砂體沉積期次的再認識。經過認真研究和仔細推敲,提出新的沉積模式,合理解釋了砂體內部多套油水系統,砂體內部期次得到合理劃分,為下一步部署評價井指明了方向。

2 地震資料預處理

研究區地震資料采集采用高分辨率拖纜采集方式,采集面元大小為18.75m×12.50m,有效覆蓋次數為60次,成果數據體有效頻寬為5～105Hz。資料處理時,利用小尺度速度建模方法得到精確的速度模型。偏移成像過程中,采用反Q濾波技術達到提高信噪比和保持分辨率[5]的目的。本次研究前,對數據體進行傾角導向濾波[6-8]及負90°相移轉換,保證砂巖頂面追蹤的準確性和增強小微斷層及巖性變化信息,為小尺度末期河道及巖性變化帶的刻畫提供基礎資料[9]。

2.1 傾角導向濾波

地震資料隨機噪聲對小尺度不相關信息的刻畫,特別是對末期河道和巖性體邊界的刻畫非常不利,因此對地震資料進行濾波處理,提高其信噪比非常必要。常用的中值濾波是在等時采樣點上求取相鄰道集的相關性,屬于網格導向濾波方法。該方法可以取得去噪效果,但對構造變化較大區域的小微斷層及廢棄河道等微弱不相干信息的刻畫極為不利[10]。傾角導向濾波方法是通過3D傅里葉變換技術計算每個采樣點在三維空間中的傾角體,并在傾角體的約束下進行濾波,在區分有效信號和隨機噪聲的同時改善了同相軸的橫向連續性,增強了垂向不相關性(圖1)。

圖1 傾角濾波前(a)、后(b)的地震剖面

2.2 負90°相移技術

零相位地震數據體具有子波對稱、中心瓣與反射界面一致、分辨率高等特點,常用作構造解釋。由于砂體頂底與零相位地震體的反射同相軸沒有直接的對應關系,因此零相位體不適合于砂體精細研究,特別是油田精細開發階段的砂體構型的研究。而負90°相位轉換技術通過相位轉換使地震反射的主要同相軸與地質上的薄層砂中心對應,從而使地震相位也具有了巖性地層意義[3],即地震解釋追蹤的反射同相軸就是追蹤的砂體(圖2),大大提高了砂體界面解釋的精度,為進一步提取等時切片,刻畫小尺度地質信息創造有利條件。

圖2 零相位地震剖面(a)與負90°相移后地震剖面(b)

3 高精度小尺度河道刻畫

常用的單一邊緣檢測屬性能刻畫斷裂系統的平面展布,或較大尺度的巖性變化,但不能清楚刻畫小尺度的巖性變化。常用的振幅類或頻率類屬性能刻畫砂巖邊界,由于受時窗限制,也很難清楚刻畫砂巖內部結構。為了相對準確地刻畫砂體的沉積過程,進而有可能精細描述砂體內部結構,本次采用優選的小尺度邊緣檢測屬性與砂體屬性疊合的方法,在平面上直觀展示砂巖沉積與河道遷移的關系,從而促進砂體精細研究[11-13]。

3.1 小尺度邊緣檢測

3.1.1 振幅對比邊緣檢測技術

邊緣檢測是檢測數據間不連續性的一種屬性技術,該技術常用來刻畫斷裂系統,在地震解釋中應用廣泛。常用算法包括最小距離法、螞蟻體、方差體等,這些算法對斷層刻畫都比較清楚,但對小尺度末期河道或側積夾層、特殊巖性體等地質現象不能清楚刻畫。為了達到利用地震資料直接刻畫末期河道或廢棄河道的目的,本次研究中,在對多種邊緣檢測方法進行對比分析后,認為振幅對比方法效果較好。首先對數據體進行傾角校正,將地層傾角因素對刻畫小尺度巖性邊界的影響剔除,使巖性邊界更清楚,更容易識別特殊巖性體,再利用振幅對比邊緣檢測方法對數據體的x,y,z3個方向進行卷積以放大異常信息,然后平滑相關信息,使巖性變化帶、廢棄河道等微弱異常信息得到增強,從而能在切片上直接識別出來[14]。計算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中:C為三維邊緣檢測結果;Gx,Gy,Gz表示x,y,z3個方向卷積后的數據體;m,n,p為調節參數,根據實際儲層發育的沉積要素的方向進行調節,其值域范圍均為(0,1);A代表原始地震窗口。

3.1.2 正演模擬數據測試

為證實振幅對比邊緣檢測技術對于巖性邊界和小尺度河道刻畫的優越性,設計如圖3a所示的正演模型,模型包含3個河道。河道1為小尺度河道,滿岸寬30m,充填2.5m泥質粉砂巖。河道2為一般性河道,滿岸寬130m,充填5.0m砂巖,且下切早期沉積砂巖,未切穿。河道3為中等河道,滿岸寬度320m,充填10.0m砂巖,且切穿早期沉積砂巖。模型參數見表1。圖3b為河道模型的正演結果。

由圖3b可見,正演剖面上河道1與下伏砂巖地層無法分開,僅反射能量增強,同相軸略有增胖,從同相軸上不能獨立識別出河道。河道2可以與下伏砂巖地層分開,具有較強反射,且在剖面上表現為未切穿,從同相軸上能獨立識別出河道。河道3也能與下伏砂巖地層分開,且河道特征明顯,能明顯識別下伏砂巖切穿特征。河道2和河道3在剖面上具有明顯特征,可利用振幅屬性或常規邊緣檢測方法進行刻畫。河道1在剖面上無明顯特征,很難利用常規振幅屬性或充填泥質粉砂巖,屬于水動力較弱條件下的沉邊緣檢測屬性進行刻畫。從設計的數據看,河道1內積物對應小尺度末期河道、點壩邊部側積泥巖夾層、廢棄河道等地質現象,與正常河道砂或片狀砂相比,其表現為尺度小,物性差,因此常規的刻畫砂體的振幅屬性或刻畫斷裂系統的邊緣檢測屬性都無法刻畫。本次研究中利用振幅對比屬性對數據體3個維度求取變化梯度,并進一步采用卷積算法放大這種微弱的差異,以突顯巖性變化帶。

圖3 河道正演模型(a)及其正演結果(b)

3.1.3 實鉆證實小尺度河道刻畫效果

圖4展示了常規邊緣檢測方法與本文邊緣檢測方法效果。由圖4a可看出,雁列斷層能清楚刻畫,但河道邊界較為模糊;而圖4b中,雁列斷層及組合關系清晰,河道邊界及巖性邊界顯示效果明顯優于圖4a。

圖4 常規邊緣檢測方法(a)與本文邊緣檢測方法(b)效果

圖5展示了利用本文方法對小尺度河道及巖性邊界刻畫的實例。圖5a是高彎曲度河道S末期快速沉積的水線,直接測量河道寬度約為30m。圖5b是圖5a中紅色任意線對應的地震剖面,剖面上標注的黑色圓圈為河道在地震上的響應特征,河道沉積砂與早期沉積砂體疊置,無法獨立識別,與圖3中河道1展示的正演特征一致。圖5c是研究區鉆遇該河道的兩口井E和F井位置。圖5d為E井和F連井剖面,圖中紅色箭頭指示該河道的自然伽馬曲線特征。從曲線上看,河道充填物為泥質粉砂巖或粉砂質泥巖,其自然伽馬曲線值界于純泥和純砂巖值之間,厚度約2.5m,其寬度與厚度關系符合前人對高彎度曲流河的認識[15-17]。圖5e 是水平開發井在儲層頂鉆遇點壩砂體邊部天然堤或側積泥巖層,箭頭指示位置伽馬值明顯增大,且與屬性圖中點壩邊部泥巖位置吻合。圖5f是過路井鉆遇點砂壩邊部廢棄河道,其井上僅1.2m泥質粉砂巖,鉆井揭示井點巖性特征與平面屬性特征吻合。圖5g 是河道L的切片特征,直接測量寬度約150m。圖5h是圖5g中紅色任意線正過該河道的地震剖面特征,從剖面上看該河道反射呈“豆珠狀”,剖面上用黑色圓圈標注,河道下切早期沉積砂體,在剖面上能獨立識別。圖5i是鉆遇該河道的A和B兩口井。圖5j 是A井和B井的連井剖面,從箭頭指示位置伽馬曲線特征可以看出,該河道未切穿早期沉積砂體,且在河道底部滯留泥質沉積,與圖3中河道2正演模型一致,其地震剖面特征與正演結果一致。

表1 正演各河道參數

圖5 利用本文方法刻畫小尺度河道及巖性邊界的實例a 利用本文方法刻畫的小尺度河道S(對應正演模型里的河道1); b 圖5a中河道S對應的地震剖面; c 鉆遇末期河道的融合屬性特征; d 井鉆遇河道S的曲線特征; e 井鉆遇點壩邊緣的融合屬性特征; f 井鉆遇廢棄河道的融合屬性特征; g 本文方法刻畫的較大尺度河道L,對應正演模型里的河道2; h 圖5g中河道L對應的地震剖面特征; i 井鉆遇較寬河道的融合屬性特征; j A井和B井鉆遇河道L的連井剖面

3.2 刻畫砂體屬性的優選

刻畫砂體的屬性眾多,一般分為振幅類、頻率類和層序統計類三大類。振幅類屬性能突出振幅異常變化信息,主要用于刻畫砂體邊界及內部特征。這類屬性依據算法不同分為3類,即和值類屬性、平方根類屬性、振幅變化率類屬性。頻率類屬性反映縱向頻率的變化,用于刻畫巖性的變化及儲層厚度變化,對于河流相砂體的疊置關系及巖性邊界反應敏感。層序統計類屬性是一種多信息綜合的屬性,可用于層序界面、聚類識別巖相等[18]。在本次研究中,優選多種屬性進行對比研究發現(圖6a和圖6b),波谷和值屬性(圖6b)對砂體邊界刻畫清晰,砂體內部廢棄河道部位明顯,點壩砂體內部非均值性有所反映,平面整體干凈,無雜亂信息。

圖6 利用2種屬性進行砂體刻畫結果a 最小值屬性; b 波谷和值屬性

3.3 河道和砂體屬性疊合效果

將刻畫巖性邊界的振幅對比屬性與刻畫砂體邊界的波谷和值屬性融合,形成直觀可視化刻畫河道和砂體關系的三維切片[19-20],有利于研究河道遷移過程及砂體發育過程(圖7)。融合切片中紅黃色代表砂體發育區,灰色代表泥巖發育區,黑色條帶為河道邊界或巖性邊界。從融合切片中能清晰識別河道形態、寬度,鉆井證實寬河道內水動力較強,發育的純砂巖物性好,伽馬值低;窄河道內水動力較弱,沉積泥質粉砂巖或粉砂質泥巖,伽馬值介于純砂巖與純泥巖之間。利用1ms間隔的地層切片觀察河道的發育演化及砂體的沉積過程,從而實現河道動態研究、砂體內部結構的精細刻畫及沉積相的重新認識。

圖7 利用融合屬性進行河道和砂體關系刻畫的切片

4 砂體精細研究

4.1 砂體成因分析

砂體精細描述包括砂體邊界刻畫、砂體構型解剖,甚至包括重建砂體的沉積過程及河道發育演化過程。顯然常規地震屬性無法滿足如此精細刻畫的要求。利用本文介紹的高精度小尺度河道刻畫技術,采用多屬性融合體地層切片的方式動態研究砂體發育全過程,才能真正解剖砂體。

渤海西部海域明化鎮組砂巖沉積厚度為10～60m,前人研究認為主要沉積類型為曲流河沉積和極淺水三角洲沉積。從垂向上看,明下段主要發育單曲流河,少量發育復合曲流河。明上段主要發育復合曲流河,極淺水三角洲。研究區目標砂體位于明下段晚期與明上段早期的過渡時期,通過高精度融合地層切片清楚刻畫河道發育演化與砂體沉積過程,圖8是融合屬性的連續地層切片,展示砂體發育和河道遷移的動態過程。層序地層學理論認為,低位體系域時期,湖岸線向盆地方向遷移,砂體主要以三角洲進積為主,以河控作用為主,呈現出朵葉狀或鳥足狀形態。砂體大的沉積環境和砂體沉積形態與經典理論一致,據此認為砂體為水退進積型湖泊相極淺水三角洲沉積。

圖8 砂體沉積過程連續切片a 早期沼澤相沉積; b 中上期鳥足狀沉積; c 中下期三角洲沉積; d 晚期河道沉積

4.2 砂體沉積模式新認識

早期鉆遇明上段B砂體的評價井少,油水界面均不統一,且常規地震屬性無明確沉積形態指示,因此早期認為該砂體是高彎度曲流河點壩砂體連片切疊沉積,以孤立點壩砂體模式指導連井對比,砂體小層對比時,將油水界面不統一的井劃分為不同的孤立點壩砂體(圖9a),以此解釋多套油水界面問題。隨著評價井的增多,這種沉積模式暴露出不少矛盾。在本次研究中,通過對高精度河砂融合切片屬性的動態研究,提出該砂體為水退進積型湖泊相極淺水三角洲沉積,砂體的精細小層對比以三角洲進積疊置原理對比(圖9b)。依據井上顯示砂體頂面高度及在平面切片的位置關系,將整個砂體分成早、中、晚三期朵體沉積砂體,理清砂體的疊置關系,統一了砂體油水界面,為多期朵體砂體的精細拆分提供依據。

4.3 砂體解剖

早期對明上段B砂體的沉積模式認定為曲流河連片切疊沉積,不連通的單一點壩是油水界面不統一的原因,因此以計算線來區分不同的油水界面(圖10a),簡單的處理給調整井部署帶來很大困難。本次研究后,將砂體解剖成早、中、晚三期朵體沉積砂體,實現單一朵體油水界面的統一,給井位設計帶來可靠依據。圖10b、圖10c、圖10d分別為早、中、晚期朵體含油面積。

圖10 研究前、后砂體含油面積a 研究前砂體; b 早期朵體沉積砂體; c 中期朵體沉積砂體; d 晚期朵體沉積砂體

5 結論

1) 小尺度河道在地震剖面上無明顯響應特征,與正演結論一致,利用常規地震屬性無法識別。而振幅對比屬性能清楚刻畫出小尺度河道、廢棄河道及點壩邊部巖性變化帶,與實鉆結果吻合,這為實現砂體內部期次精細解剖提供有力依據。

2) 河道和砂體融合屬性可以實現河道和砂體同期展示,以地層切片方式展示河道與砂體沉積演化關系,實現對河道遷移和砂體沉積過程的動態研究,對精細研究砂體的沉積過程、解剖砂體結構,實現砂體四級層序研究具有重要指導意義。

總之,本文的研究方法實現了對厚砂體精細解剖及沉積微相的準確認識,該方法對同類型砂體的研究具有借鑒意義。